0 引言

气候变化是当前全球面临的共同挑战，《巴黎协定》将应对气候变化的长期目标确定为：到本世纪末，把全球平均气温较工业化前水平升高控制在2 ℃之内，并为把温升控制在1.5 ℃之内而努力[1]。政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第六次报告（Assessment Report Six，AR6）进一步指出人类活动对全球气候变暖的影响不断加剧，呼吁各国提出更具雄心的碳中和目标[2]。中国于2020年提出“力争2030年前实现碳达峰，努力争取2060年前实现碳中和”的“双碳”目标，并积极实施一系列应对气候变化战略、措施和行动。作为中国重要的碳排放源，建筑、工业和交通等能源终端部门的低碳转型对“双碳”目标的实现至关重要[3-4]。根据中国建筑节能协会发布的《2022中国建筑能耗与碳排放研究报告》[5]，2020年中国建筑部门化石燃料、电力和热力消费的排放约占中国总碳排放的21.7%。由于中国经济持续发展，人均建筑面积不断扩大，预计中国建筑部门的能源需求在未来一定时期将继续增长[4,6-7]，在“双碳”目标下其能源低碳转型面临挑战。

为了推动中国建筑部门能源转型发展，2022年来中国政府相继出台了《“十四五”住房和城乡建设科技发展规划》《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》《城乡建设领域碳达峰实施方案》等政策文件。在学术研究中，已有文献通过构建各类建筑模型对中国建筑部门的能源和碳排放路径进行了量化模拟。例如，文献[8]通过China TIMES（The Integrated MARKAL-EFOM System）模型模拟了煤炭加速退出情景下中国建筑部门发展路径，指出到2050年，随着电力和可再生能源替代，中国建筑部门化石能源消费的直接CO2排放（不含电力间接排放）约为7亿t。文献[9]构建BCEFM（building carbon emission forecasting model）模型分析了达峰控制情景下中国建筑部门排放路径，结果表明，2060年中国建筑部门电气化率提升至2020年1.8倍水平，能源消费的完全排放（含电力间接排放）约为6亿～8亿t CO2。文献[10]基于DREAM（demand resource energy analysis model）模型模拟了经济技术发展情景，指出通过加速技术进步及推广电力和可再生能源应用，2050年中国建筑部门完全排放约为10亿t CO2，较照常情景减排约75%。文献[11]利用GCAM（global change analysis/assessment model）模型模拟了将大气温室气体浓度控制在550×10-6的情景下中国建筑部门低碳转型，结果显示，到2060年，传统薪柴退出中国建筑能源使用，电力主导建筑用能，建筑部门的直接排放和完全排放分别约为10亿t和25亿t CO2。文献[12]应用GCAM探究了1.5℃情景下中国建筑部门低碳转型，指出随着电气化水平提升，2060年中国建筑部门的直接排放和完全排放分别约为4.5亿t和10亿t CO2。文献[13]基于CBEM（China building energy model）模型模拟了1.5 ℃情景，提出2050年中国建筑部门的直接排放最乐观可降至约0.3亿t CO2。文献[14]展望了中国建筑部门能源发展与低碳转型策略，指出煤炭和薪柴2050年前退出建筑能源使用，2060年建筑清洁能源占比达到88%左右。

以上文献多以技术发展或全球温升控制为研究情景，对“双碳”目标下中国建筑部门能源转型的认识仍不够全面。在“双碳”情景下，各类建筑能源和技术具体应该如何部署、建筑排放应该如何控制等，都有待更为确切地厘清。同时，随着对碳捕捉与封存（carbon capture and storage，CCS）、生物质能碳捕捉与封存（bioenergy with carbon capture and storage，BECCS）等前沿技术的认知不断深入，近年来研究认为，发电和炼油等能源转换部门通过部署CCS和BECCS可产生一定的负碳效应[15-18]，这为建筑部门实现完全排放净零提供了可能。在此背景下，本研究以GCAM为模型框架本土化改进刻画中国建筑部门，以“双碳”目标为情景模拟分析中国建筑部门能源转型和碳排放路径。相比已有文献，本研究的边际贡献在于：系统分析“双碳”目标下中国建筑部门能源技术发展与碳达峰碳减排的具体路径，并结合能源转换部门脱碳探究实现建筑完全排放净零的可能性与相应的支撑能源体系，从而为相关政策措施制定提供全面细致的参考。

1 模型方法

由美国西北太平洋国家实验室开发的GCAM是全球最知名的综合评估模型之一，集成了能源、经济、农业和土地、水资源、气候等模块，被广泛用于研究全球或区域层面的能源发展、土地利用和气候变化等未来情景，包括IPCC AR6情景[2]、典型浓度路径[19]、共享社会经济路径（shared socio-economic pathways，SSPs）[20]等。GCAM将全球划分为32个区域，中国是其中的一个独立区域，区域通过贸易相连。GCAM基于局部均衡理论以动态递归的方式计算商品的市场出清价格（以5 a为步长），实现全球能源、农业及其他市场的供需平衡（http://jgcri.github.io/gcam-doc/index.html）。

1.1 模型框架

能源系统是GCAM的核心模块，涵盖了能源开采（各类化石能源和非化石能源）、能源转换（发电、炼油等）以及终端用能（建筑、工业、交通）的完整链条。在GCAM7.0中，中国（及全球其他区域）建筑部门的建筑类型包含居民建筑和商业建筑2类，能源服务类型包括供暖、制冷和其他用能3类，但中国建筑用能的区域和城乡差异并未得到刻画。为更好地研究中国建筑部门能源转型，在文献[11-12]基础上，本研究在GCAM7.0框架内对中国建筑部门进行本土化改进刻画。

图1为改进后的中国建筑部门框架。考虑到中国幅员辽阔、南北气候差异明显，[21]按气候特征将中国进一步划分为严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖4个气候区域（具体划分见表1）。考虑到城乡建筑用能规模、特征和技术的差异，将中国建筑类型划分为农村居民建筑、城市居民建筑、商业建筑3类。组合气候区域和建筑类型形成12个建筑子部门，每个子部门均提供供暖、制冷、炊事热水、照明、家用电器（居民建筑）/公共设备（商业建筑）5类能源服务，每种能源服务由各类具体的能源技术提供。例如，供暖服务可由薪柴供暖、燃煤供暖、燃油供暖、燃气供暖、生物质供暖、地源热泵、太阳能供暖、电力供暖8种能源技术提供。由于气候条件、人口密度、收入水平、建筑保温能力等不同，各建筑子部门对能源服务的需求存在差异。例如，严寒地区的供暖需求高于夏热冬暖地区，城市居民建筑的家用电器服务需求高于农村居民建筑等。

图1 基于GCAM的中国建筑部门建模框架
Fig.1 Modelling framework for China’s building sector based on GCAM

表1 中国气候区域划分
Table 1 Classification of climate regions in China

气候区地区严寒黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古、新疆、青海寒冷北京、天津、河北、山东、山西、河南、陕西、宁夏、甘肃、西藏夏热冬冷江苏、浙江、安徽、上海、江西、湖北、湖南、四川、重庆夏热冬暖台湾、福建、广东、香港、澳门、海南、广西、贵州、云南

本研究对建筑部门排放进行如下定义：直接排放为各建筑能源技术消耗的化石燃料燃烧直接产生的碳排放；间接排放为各建筑能源技术消耗的电力和燃油在生产过程中产生的碳排放（发电和炼油是未来应用CCS和BECCS的最主要能源转换部门[2]，所考虑的发电和炼油技术也在图1中列出）；完全排放为直接排放与间接排放之和。除了对中国建筑部门进行重构，本研究还[22]对GCAM7.0中国发电部门的技术参数进行了本土化校准（GCAM将在同一框架中模拟所有能源部门）。

1.2 计算原理

在GCAM建模中，建筑能源服务需求总体上取决于人口规模、人均建筑面积和单位面积能源服务需求[11,21]。由于人均建筑面积和单位面积能源服务需求往往会随着收入增加逐渐饱和[8]，GCAM采用饱和函数预测两者的未来发展趋势。人均建筑面积的饱和函数为

式中：qt为t时期的人均建筑面积；s和a为人均建筑面积的饱和水平和最低水平；μ为饱和阻尼，反映达到饱和建筑面积一半所对应的收入水平，由人均建筑面积饱和水平、人均收入等参数共同校准；It为t时期人均GDP（反映收入水平）。

单位面积能源服务（前述5类）需求的饱和函数为

式中：dt为t时期的单位面积能源服务需求；k为校准系数；S为单位面积能源服务需求的饱和水平；Pt为t时期的能源服务价格。供暖和制冷的S额外考虑气候条件、建筑保温能力以及内能改变的影响[23]，计算公式为

式中：Ht和Ct分别为t时期的热度日和冷度日，具体含义为每年为维持室内舒适温度（18 ℃）所需要的温度改变和改变天数的乘积[24]；ηt为t时期墙壁导热系数，反映建筑保温能力；R为建筑表面积与建筑面积的比例，反映建筑墙壁暴露在室外的面积；IG为单位面积建筑获得的内能；λh、λc为调整因子。

式（2） 中Pt的计算公式为

式中：Pi,t为t时期能源技术i的服务价格；Si,t为t时期能源技术i的份额。两者的计算公式分别为

式中：Pf,t为t时期能源技术i使用的能源载体f的价格，由模型内生；Ei,t为t时期能源技术i的能源效率，Mi,t为t时期能源技术i的非能源成本，两者均外生给定；Wi,t为t时期能源技术i的份额权重 （外生给定），反映能源技术i的政策或居民偏好；γ为价格弹性系数。通过式（6） 进行技术份额的分配既立足于成本优选，又避免了“赢者通吃”（发电等部门的技术份额也基于该式，可参见文献[22]）。

1.3 参数设置

根据式（1）—（6），建筑能源服务需求与社会经济参数、建筑参数等相关，而能源服务价格和各能源技术份额则与技术参数等相关。

1.3.1 社会经济参数

本研究的中国社会经济参数假设见表2。人口参考联合国预测[25]，GDP近期增长参考世界银行预测[26]、长期发展[22]。人口和GDP在各气候区域的配置[27]，如表3所示。

表2 中国社会经济参数假设
Table 2 Assumptions of China’s socioeconomic parameters

参数20202030204020502060人口/亿14.114.213.813.212.5 GDP/万亿美元14.623.233.545.561.2

表3 中国分气候区域人口和GDP比例假设
Table 3 Assumptions of population and GDP shares by climate region in China

气候区域人口比例/%GDP比例/%202020302060 202020302060严寒农村543322严寒城市888999寒冷农村13129754寒冷城市171922222426夏热冬冷农村14118852夏热冬冷城市202529303435夏热冬暖农村1075432夏热冬暖城市131416171820

1.3.2 建筑参数

主要建筑参数包括人均建筑面积饱和水平、热度日/冷度日、墙壁导热系数以及单位面积能源服务需求饱和水平。在本研究中，人均建筑面积饱和水平设置[11]，热度日/冷度日及其变动的设置参考社区气候系统模型数据[28]，墙壁导热系数及其变动的设置[29]，将2010年日本建筑部门的单位面积能源服务作为未来中国建筑部门炊事热水、照明、家用电器/公共设备需求的饱和水平[8]。

1.3.3 技术参数

如前所述，主要的外生技术参数为能源效率和非能源成本。本研究综合文献资料[2-3,27]以及对技术发展趋势和政策导向的判断进行设置，见表4。其中，化石燃料和电力技术进步通过能源效率体现，可再生能源技术进步通过非能源成本体现（每5 a下降1%[12]）。

表4 中国建筑部门能源效率和非能源成本假设
Table 4 Energy efficiency and non-energy cost assumptions for China’s building sector

能源效率/%非能源成本/（1000美元）202020402060居民建筑商业建筑薪柴供暖1011130.06燃煤供暖6875860.170.26燃油供暖7381900.5813.25燃气供暖7987980.606.06生物质供暖4550560.616.08地源热泵1001001001.6123.91太阳能供暖1001001003.3846.61电力供暖941001000.545.16空调3003313760.545.16薪柴灶1011130.06燃煤灶5156640.178.37能源技术液化石油气灶5156640.4910.13燃气灶6269770.4511.90太阳能热水器1001001001.0315.12电炊具8291950.687.13白炽灯2230.0020.002荧光灯1213150.010.01固态照明灯1517190.010.01家用电器1001001002.80公共设备1001001006.79

1.4 情景设置

为模拟“双碳”目标下中国建筑部门能源转型，本研究[22]设置中国能源系统2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和的“双碳”情景。具体的碳排放路径设置为：在2030年完成国家自主贡献后，中国能源系统的总碳排放将从峰值持续下降，直至2060年降至零。将该路径输入GCAM作为中国能源系统的“硬性”碳约束。GCAM通过动态递归求解碳价（将改变各能源技术的“竞争力”从而驱动包括建筑部门在内的能源系统演变），使得中国能源系统总碳排放吻合所设置的碳约束。

2 模拟结果

2.1 能源消费总量

图2为本研究模拟的“双碳”情景下中国建筑部门的能源消费总量及与文献[10-13,30]的比较。2030年前，随着经济发展，中国建筑部门的能源消费迅速增长。2030年后，由于中国人口规模可能已经达峰且人均建筑面积逐步开始饱和，中国建筑部门的能源消费增速逐步放缓至趋于饱和，这与文献[13]的发现相似。在本研究情景下，中国建筑部门的能源消费在2045年左右达到峰值39.8 EJ。

图2 中国建筑部门能源消费总量
Fig.2 Total energy consumption in China’s building sector

2.2 能源消费结构

图3 （a）—（c） 依次给出了分气候区域、分建筑类型、分能源服务的中国建筑部门能源消费结构。随着城市化进程推进，农村居民建筑占中国建筑能源消费的比例从2020年26%下降至2060年15%。相反，城市化以及第三产业的快速发展将推动商业建筑用能增加。在本研究情景下，商业建筑在2045年后成为中国能源消费最高的建筑类型（与文献[30-31]的发现一致），占建筑能源消费的比例从2020年34%增长至2060年44%，未来要注意加强对商业建筑节能降耗的关注。与商业建筑用能增长一致，公共设备占中国建筑能源消费的比例从2020年5%增长至2060年12%。伴随全球气候变暖以及中国建筑节能标准提高，供暖能源消费占比从2020年38%下降至2060年23%，这与文献[10]的结果较为接近（2050年28%），制冷能源消费占比从2020年8%略增至2060年10%。

图3 中国建筑部门能源消费结构
Fig.3 Energy consumption mix of China’s building sector

文献[7,14]提出，改善建筑能源结构和普及绿色低碳技术是建筑部门实现深度减排的重要方向。如图3 （d） 所示，相比分气候区域、建筑类型和能源服务，分能源品种的中国建筑部门能源消费结构在未来会发生更为显著的变化。在本研究模拟的“双碳”情景下，薪柴和煤炭在中国建筑能源消费中的占比持续下降，分别于2045和2050年基本完全退出建筑用能（占比低于1%），这与文献[14]的发现相一致，而燃油占比则呈现稳中有降的趋势。薪柴和煤炭退出建筑用能也有助于减少空气污染物排放，带来健康协同效应[32]。文献[6,33-34]提出，天然气在中国能源转型中起着过渡作用。在本研究情景下，未来15 a内，天然气在中国建筑能源消费中的占比明显增长（2030—2035年18%），并主要用于替代煤炭和薪柴进行炊事热水和供暖，2035年后则逐渐被更为清洁的电力和可再生能源所替代。虽然前期成本较高，但随着碳达峰以后能源系统开始大幅减排（碳价提升），可再生能源（地热、太阳能）的竞争力开始显现，占中国建筑能源消费的比例从2030年12%持续增长至2060年23%。随着炊事热水和供暖向电转变以及家用电器/公共设备数量不断增加，电气化是未来中国建筑部门能源转型的最主要趋势，这与目前的主流观点[7,17,30]相同。建筑用能中电力占比将大幅增加，到2060年达到64%。国际能源署发布的《中国能源碳中和体系》提出，2060年中国建筑部门能源消费中电力和可再生能源占比分别为60%和23%[35]，本研究结果与之相近。

2.3 能源技术发展

图4给出了中国建筑部门不同技术的能源消费份额（本研究假设制冷、家用电器/公共设备均只由单一电力技术提供）。在供暖方面，薪柴供暖这一传统技术将率先退出。作为目前最主要供暖技术，由于碳排放因子最高，燃煤供暖的份额大规模下降，到2050年基本完全退出。在“煤改气”等相关政策推动下，燃气供暖在近期预计有所发展，2030年份额达29%，接近文献[36]的预测（2030年天然气占中国北方地区供暖用能33%）。地源热泵、太阳能供暖特别是电力供暖将持续发展，电力供暖在2045—2050年成为中国最主要供暖技术，2060年比例超过50%，介于文献[35]（2060年45%）和文献[37]（2050年85%）的估计之间。在炊事热水方面，薪柴灶和燃煤灶（包括热水锅炉等）的比例持续下降，2040年后基本完全退出。太阳能热水器和电炊具的利用则会持续提升，成为中国未来最主要的热水技术和炊事技术，2060年分别占炊事热水用能46%和32%。在照明方面，高效的固态照明灯一直是主流，2060年比例超90%。以上技术渗透趋势再次表明，在“双碳”导向下，电力和可再生能源技术未来将主导中国建筑部门的各类能源服务。

图4 中国建筑部门各技术的能源消费比例
Fig.4 Shares of energy consumption by technology in China’s building sector

2.4 碳排放路径

图5 （a） 给出了本研究模拟的“双碳”情景下中国建筑部门的碳排放路径及与文献[6,10-13,37-38]的比较。与文献[37]预测的建筑碳排放趋势类似，本研究中国建筑部门的直接排放在2030年左右达到峰值（12.4亿t CO2），总体符合《城乡建设领域碳达峰实施方案》提出的“2030年前城乡建筑领域碳排放达到峰值”。在达峰后，中国建筑部门的直接排放快速下降，到2050年降至4.6亿t CO2，2060年进一步降至2.2亿t CO2，有接近零碳排放的可能性。

图5 中国建筑部门CO2排放
Fig.5 CO2 emissions from China’s building sector

图5 （b） 给出了中国建筑部门的碳排放构成。在考虑电力和燃油生产的间接排放后，中国建筑部门的完全排放同样在2030年左右达到峰值（26.1亿t CO2），之后将比直接排放更迅速地下降。这主要是由于在2030年后，随着清洁能源广泛应用和CCS技术逐步应用，发电部门将比建筑部门更快速地脱碳[3,15-16]。在BECCS作用下，电力和燃油间接排放在2045—2050年间变为负，开始对建筑直接排放形成抵消，这使得建筑部门的完全排放开始低于直接排放，并最终在2055—2060年间实现完全排放净零（2060年-1.8亿t CO2）。

2.5 2060年中国建筑综合能源体系

基于GCAM模拟的“双碳”情景结果，本研究提出如图6所示的覆盖上游能源转换（电力和燃油生产）和下游能源消费的2060年中国建筑能流图。在本研究情景下，到2060年，中国发电量93%由风能、太阳能、水力、核能、生物质等非化石能源提供，燃油产量49%由生物质提供（生物燃油更多地用于航空、航海等难电气化领域[2]）；BECCS得到较广泛应用，2060年占发电量6%和燃油产量41%。图6清晰地显示出，在能源消费端提升电力和可再生能源使用，是实现建筑部门近零碳排放的保障；而在能源生产端大力发展非化石能源并积极推广CCS和充分挖掘BECCS负碳潜力，是最终实现建筑部门净零碳排放的关键。

图6 2060年中国建筑部门能流图
Fig.6 Energy flow map of China’s building sector in 2060

2.6 不确定性讨论

在上述默认情景基础上，本研究进一步设计以下4个情景，以考虑中国建筑部门能源转型的不确定性：①共享社会经济路径情景，假设表2中国社会经济按照SSP2（shared socioeconomic pathway 2）发展；②极端天气情景，假设到2050年热度日/冷度日增加15%；③技术加速进步情景，假设中国建筑部门电力和可再生能源技术进步速率提升至1.5倍。这3个情景的其他参数设置与默认情景保持完全一致，且均以1.4节“双碳”排放路径为约束。

图7比较了这些情景下中国建筑部门模拟结果。在“双碳”目标下，情景参数设置影响中国建筑能源消费总量。相较默认情景，极端天气情景消费更多的能源来满足供暖和制冷需求，技术加速进步情景通过提高能效降低了能源消费，共享社会经济路径SSP2情景由于长期GDP增速更低，能源消费也有所降低。但这3个情景并不显著改变默认情景识别出的中国建筑部门脱碳进程：建筑直接排放在2030年左右达峰后到2050年降至4.1亿t～4.8亿t CO2（默认情景4.6亿t CO2），电力和可再生能源2050年占中国建筑能源消费77%～79%（默认情景78%）。

图7 不同情景下中国建筑部门模拟对比
Fig.7 Comparison of China’s building sector modelling in different scenarios

3 结论与建议

本研究以GCAM为框架对中国建筑部门进行本土化改进刻画，模拟了“双碳”目标下中国建筑部门能源转型及碳排放路径。本研究“双碳”情景得出的主要结论如下。①近期内，中国建筑部门能源消费仍继续增长，2030年后增速逐步放缓至趋于饱和，中国建筑部门能源消费在2045年左右达到峰值39.8 EJ。②在城市化及第三产业推动下，农村居民建筑占中国建筑能源消费的比例显著下降，商业建筑逐渐成为能源消费最高的建筑类型，伴随全球气候变暖，供暖能源消费占比明显下降，制冷能源消费占比略微增加。③随着薪柴灶、燃煤灶、薪柴供暖、燃煤供暖等逐渐淘汰，薪柴和煤炭分别于2045和2050年基本完全退出中国建筑部门能源使用，天然气在2035年前有所发展，之后逐渐被更为清洁能源替代，一定程度上呈现“过渡”特征。④可再生能源和电力持续发展，到2060年分别提供中国建筑部门用能23%和64%，电力供暖成为最主要供暖技术，太阳能热水器和电炊具成为最主要炊事热水技术。⑤中国建筑部门的直接排放在2030年左右达峰后快速下降，到2060年降至2.2亿t CO2，纳入电力和燃油间接排放后，中国建筑部门可在2060年前实现净零排放。

基于上述结论，本研究提出如下政策建议。①加快推进建筑用能清洁低碳转型。努力淘汰薪柴灶、燃煤灶、薪柴供暖、燃煤供暖等，加快建筑领域电气化和可再生能源发展进程，因地制宜地推广屋顶分布式光伏、地源空气源热泵、“光储直柔”等技术。②大力提升建筑绿色节能水平。加强既有公共建筑、老旧小区等绿色改造，提高新建建筑节能减排标准，加速打造低碳零碳社区与商圈，提高居民建筑节能意识。③加速推进能源生产侧深度脱碳。进一步发展壮大绿电产业，努力突破CCS、BECCS等前沿技术应用瓶颈，尽早在发电部门率先实现负碳排放从而对建筑等终端部门排放实现抵消。